潛水泵電機出現掃膛故障的原因分析與對策*

操松林，　韓彩紅，　張高正，　黃永遠

(1. 合肥通用機械研究院，安徽 合肥　230031；

2. 安徽普菲克電機電泵制造有限公司，安徽 合肥　230094)

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潛水泵電機出現掃膛故障的原因分析與對策*

操松林1，韓彩紅1，張高正2，黃永遠2

(1. 合肥通用機械研究院，安徽 合肥230031；

2. 安徽普菲克電機電泵制造有限公司，安徽 合肥230094)

摘要：分析了某鉀肥廠冷卻水循環系統潛水泵電機出現掃膛故障的原因： 電機轉子發熱，如不能及時冷卻，必然使其溫度升高，電機出力下降；同時因轉子溫度沿軸線方向不一致，轉子受熱膨脹將呈紡錘形。當轉子膨脹量超過氣隙時，就和定子內腔壁接觸摩擦，即出現“掃膛”現象。大功率干式潛水電機應配置風扇與氣水換熱器組成的冷卻系統。電機內腔中空氣通過風扇驅使強制循環流動，在流過轉子內縫隙時吸收轉子產生的熱量；在流過換熱器處時，與外界冷卻水進行熱交換，釋放出熱量。這樣導出轉子的熱量，就解決了電機轉子冷卻問題。在高海拔地區使用的潛水電機，應對電機的設計功率進行修正。

關鍵詞：潛水泵； 故障； 掃膛

0引言

潛水泵是由潛水電機和泵組成的一體化設備。潛水泵具有以下特點：

(1) 結構緊湊，維護方便；

(2) 安裝便捷，不需要廠房，土建安裝費用低；

(3) 不怕水淹，起動時不需要灌泵，因此起動靈活；

(4) 運轉穩定(運行時噪聲低、振動小)，安全可靠，易于自動控制。

基于人們對上述優點的認識，以及隨著潛水泵的大型化和潛水泵可靠性、安全性的提高等，潛水泵應用的領域越來越廣，甚至在某些領域有著獨領風騷的優勢，如潛水泵在工廠循環水系統、礦山搶險排水、南水北調工程、城市雨污水泵站、城市污水處理廠及河流防洪排澇泵站等場合廣泛應用[1]。

1問題的提出

青海某鉀肥廠冷卻水系統： 從地下水池取水，泵送到一些需要水冷卻的設備，熱交換后，水回流、經冷卻塔噴淋落入水池，實現冷卻水的循環利用。按照工藝設計，選用6臺潛水離心泵(3用3備)，工作方式為連續運行。泵技術參數如表1所示。

表1　潛水泵性能參數

如圖1所示，潛水泵安裝在水池中，泵入口標高0.3m；泵出口標高2m，在出口管路處安裝有壓力表，對泵運行工況予以監控。正常工作時，電機處于淹沒狀態，最低工作液位1.6m，最高工作液位5m。

圖1　青海某鉀肥廠潛水泵安裝圖(m)

2014年裝置投產，測得泵出口壓力0.4MPa，用射線流量計監測到的流量接近設計流量，泵基本在額定工況點附近運行。根據運行記錄，6臺泵開機后安全運行時間都不長(有的幾個小時，有的約一周)，泵先后出現故障。其故障現象為泵運行一段時間后電流瞬時增大，保護跳閘，電機停轉。

用兆歐表對電機絕緣電阻檢查，測量停轉電機的絕緣電阻為0Ω。拆檢發現電機的繞組線圈燒毀，定子內壁中部、轉子外壁中部有明顯的摩擦痕跡，充分說明電機出現了掃膛現象，如圖2所示。仔細觀察痕跡特征： 不論是定子內壁，還是轉子外壁，摩擦痕跡在圓周上是連續的、全周向都有，寬度50～100mm。由此可以判斷，掃膛不是轉子偏心引起的，而是定轉子中間部位電機氣隙為0mm、相互接觸引起的。

圖2　電機氣隙處摩擦痕跡

檢查設計圖紙及加工記錄，電機的設計氣隙是單邊間隙1mm，加工尺寸并無問題。電機運轉時出現氣隙為0的原因有待分析。

2原因分析

潛水電機分為濕式電機(電機內部充水式)和干式電機(電機腔體內為空氣，軸封為機械密封)，如圖3所示。

圖3　青海某鉀肥廠潛水電機結構圖

濕式電機除了定子外殼水冷外，內部轉子上設置泵效輪、或利用所充水的壓差，使所充水循環冷卻。通過布設在內腔的溫度傳感器監控繞組溫度，防止缺水引起電機燒毀。對濕式電機來說，保證電機在設計溫度下工作是比較容易實現的。干式潛水電機則有所不同。干式潛水電機內部仍然為空氣，電機的冷卻條件較濕式電機差。干式潛水電機一般按F級絕緣、軸承黃油潤滑、防護等級IP68設計。電機的設計工作溫度40℃，F級絕緣溫升115K，極端情況下干式潛水電機內部線圈溫度不得超過155℃；而滾動軸承黃油潤滑，溫度應不超過95℃。

干式潛水電機除定子外殼水冷外，內部靠僅有的空氣導熱通過電機端蓋等向外散熱，以及通過電機軸向外界傳熱。對小功率電機來說，電機發熱不多，可實現熱平衡，工作時溫度可控制在要求的范圍內。對大功率電機來說，電機轉子上的發熱量比較多，如不采取輔助的導熱措施，電機內部熱量難以向外界散發或傳遞，電機內部溫升很快就超標，進而使電機失效。因此，大功率干式電機，需要設置換熱系統，使內部氣體循環流動，通過氣水換熱來降低轉子的溫升。

青海某鉀肥廠使用的6臺潛水泵均為干式潛水電機，且電機設計功率為280kW。經分析，該項目6臺泵出現故障有兩方面的問題。

(1) 泵選型時，沒有考慮海拔高度對干式潛水電機性能的影響[2]。高海拔，則氣壓低，環境溫度也略有降低。高海拔影響空氣的絕緣強度和空氣散熱。海拔高度在1000m以上時，每升高100m所需的環境溫度降低補償值規定按溫升極限的1%折算。如果最高環境溫度的降低值不足以補償由于海拔高度提高所造成的冷卻效果的降低，應對電機的額定輸出功率進行修正。青海某鉀肥廠的海拔高度為2800m，夏季最高氣溫30℃。干式潛水電機在南方低海拔地區制造，但在運抵高海拔現場后，內部氣體由于壓差作用，會通過機封處緩慢滲漏而變得稀薄，密度變小，從而影響傳熱，使電機的設計功率降低。人們對這一點的認識，常被潛水電機浸泡在水中這一表面現象所蒙蔽，忽略考慮潛水電機內腔空氣變稀薄而影響電機出力的事實。

對空氣冷卻的常規三相電機，其額定功率輸出值降低可按每欠補償1K，功率降低1%計算。本工程項目中，如果電機按完全風冷考慮，其所需的溫度補償值Δt和額定功率下降值ΔNe：

Δt=[(h-1000)Δi-(40-tat)]=

[(2800-1000)×0.0115-

(40-30)]=10.7℃

ΔNe=[(h-1000)Δi-(40-tat)]×Ne/100=

[(2800-1000)×0.0115-(40-30)]×

280/100=29.96kW

式中：h——海拔高度,2800m；

Δi——每提高100m海拔高度時所需的溫度補償值，Δi=0.0001×電機溫升極限=0.0115K/m。電機溫升極限取115K。即設計溫度40℃，加上F級絕緣溫升105K，電機定轉子線圈最高耐熱溫度145℃，使用地點環境溫度30℃，溫升差值即為145-30℃=115K。

tat——使用地點的環境溫度值，30℃。

也就是說，正常設計280kW的三相電機，在青海某鉀肥廠現場使用，其輸出功率至少降低29.96kW。鑒于本項目為潛水電機，外部冷卻較常規電機有利，在無資料可查、無經驗可循的情況下，按一半考慮，正常設計的潛水電機在現場功率下降15kW。

(2) 電機設計本身存在缺陷，未進行熱平衡校核。所用6臺潛水泵電機定子外殼為鑄鐵件，沒有設計氣水換熱系統，未充分考慮電機內部轉子散熱。設計方案如圖3(a)所示。

電機定子硅鋼片發熱溫度會升高，通過接觸傳熱，有一部分熱量會傳遞到電機外殼體。電機外殼在外接水(泵送水)的冷卻下，溫度基本為常溫，因此，從外而內，定子雖有溫度上升梯度，但總體來說受到外部水冷卻的限制。即定子的溫升有限，同時在外殼體的約束下定子內壁的尺寸變化不會太大。如果受熱膨脹，可能會導致定子內孔的尺寸變小。

轉子產生的熱量難以對外傳遞，溫度上升較多，在無外界約束的情況下膨脹變形。當溫度達到某一值時，轉子的外徑尺寸就會達到定子內徑的尺寸，即電機氣隙為0mm，定轉子接觸，從而出現電機掃膛現象。電機掃膛也會產生熱量，這些熱量進一步加劇鐵心的膨脹變形，形成惡性循環。

從電機結構的細節上看，越往轉子鐵心中部，散熱越差，溫度越高；越往轉子鐵心端部，散熱相對好一點。即轉子中部鐵心膨脹后尺寸較端部大，整個轉子鐵心成紡錘型。這就是對掃膛只在鐵心中部這種現象的很好解釋。

3解決方案

針對這兩個原因，從兩個方面著手，提出解決問題的技術方案，對電機結構予以修改。修改后的結構如圖3(b)所示。

(1) 按照電機設計手冊上關于海拔高度對電機功率影響的系數計算方法，對電機的設計重新校核，適當增加了硅鋼片的數量，保證在高海拔地區電機設計功率滿足泵需求。

(2) 將電機外殼換成碳鋼材質，利用槽鋼在電機外殼上焊接出多個氣體回流通道，相當于在電機外殼上加裝了列管式換熱器。其次，在電機軸上部加裝軸流風扇，讓內部氣體循環起來。這樣一來，電機內部的空氣，在風扇的作用下，從下部腔體通過轉子鐵心與軸之間的縫隙向上端流動，再通過定子外殼上的回流通道及氣隙，回到電機下部內腔，實現氣體的循環流動。氣體在通過定子外殼上的回流通道時與外夾套中的水進行熱量交換。

(3) 將轉子鐵心與轉子軸間的連接處滿焊，以加強軸向外導熱的能力。

為了驗證理論分析及改造效果，在改造后的電機定子內壁中間位置上粘貼一個測溫試紙，在轉子外表面上、中、下位置分別粘貼一個試紙，如圖4所示，測量定子轉子的實際溫度。泵運行7h后，解體檢查，測得的溫度如表2所示。

圖4　電機定轉子上粘貼測溫試紙圖

表2　改進后電機內部溫度

從表2中數據可以看出：

(1) 測得的轉子溫度最大100℃，考慮溫度補償10.7℃，換算到青海某鉀肥廠現場的溫度，電機是安全的。

(2) 分析的定子溫度低于轉子溫度，以及轉子中間溫度高、兩端溫度低的假設是正確的。

(3) 電機的轉子下部的溫度低于上部的溫度，說明電機內部空氣流動，對轉子冷卻效果是明顯的。即氣體通過定子外殼通道時，得到了冷卻。冷卻后的空氣從電機下部往上流動時，溫度升高，造成轉子上部的溫度略高于下部。

(4) 電機定子溫度上部比下部低，這與電機外殼水冷有關，與冷卻水的流向有關。

改造后的潛水泵經三個月運行，未出現掃膛問題，改造成功。

4結語

干式潛水電機的潛水泵用在高海拔地區時，其電機散熱與常規的三相異步電機類似，散熱效果變差，須考慮海拔高度對電機性能的影響。當海拔高度的影響超過因海拔升高帶來的環境溫度降低的影響時，需對電機的設計功率予以修正。在實際操作中，可采取電機降檔使用的辦法或者增加鐵心長度非標設計的方法來解決。

大功率干式潛水電機須設置換熱器和內部風扇等組成的氣水換熱系統，使電機內部空氣流動、轉子熱量向外交換，以便控制電機內部溫升、確保電機熱平衡。

【參 考 文 獻】

[1]王友軍，朱軍.潛水泵的常見故障及對策[J].科學與管理,2010(3)： 104-105.

[2]全國化工設備設計技術中心站.工業泵選用手冊[M].北京： 化學工業出版社，1998.

*基金項目： 國家科技支撐計劃項目(2013BAF01B01)

The Analysis and Countermeasures of Stator Scrapping

Rotor for Submerged Pump Motor

CAOSonglin1,HANCaihong1,ZHANGGaozheng2,HUANGYongyuan2

(1. Hefei General Machinery Research Institute, Hefei 230031, China；

2. Anhui Pofoco Motor Pumps Manufacturing Co., Ltd.，Hefei 230094, China)

Abstract：The fault reasons of the friction between stator and rotor of submersible motor of the certain potash fertilizer factory were analyzed. At high altitudes, low air pressure and thin air, effect of rotor natural cooling was less. Motor rotor fever, if not timely cooling, must make its temperature rise, the motor output decline; At the same time, because the rotor temperature along axis direction inconsistent-the middle part was higher than at both ends, the rotor heating expansion would be a spindle. When its expansion size more than the air gap, the rotor and stator inner cavity wall contact and friction, namely “stator scrapping rotor”. High power and dry-type submersible motor should be configured cooling system Composed of fan and the air-water heat exchanger. The air in motor chamber driven the fan forced circulation flow. when it flowed through internal channel of the rotor, the air absorbed the heat generated by the rotor. When it through the heat exchanger, the air exchanged heat with outside water and released the heat. Such rotor heat be exported, the motor rotor cooling problems be solved. If submersible motors used in high altitude area, its design power should be modify like general motors.

Key words：submersible pump； fault； stator scrapping rotor

收稿日期：2015-11-07

中圖分類號：TM 307+.1

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2015)12- 0070- 04

通訊作者：韓彩紅